Photovoltaik Technologie und Anwendung

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1 Photovoltaik Technologie und Anwendung Franz H. Karg AVANCIS GmbH Ludwig Maximilian Universität München 22.Januar

2 Ausschnitte aktueller Energiedebatten Russische Ölversorgung unterbrochen Wärmster November seit Beginn der Wetteraufzeichnung Feinstaubbelastung erfordert Fahrbeschränkungen 2

3 Leitplanken nachhaltiger Energiepolitik (WBGU 2003) Ökologie Klimaschutz Nachhaltige Flächennutzung Schutz von Flüssen, Meeren und der Athmosphäre Sozio-Ökonomie Ausreichend und einkommensgerechte Energie für alle Begrenzte Risiken Keine Gesundheitsbelastung 3

4 Exemplarischer Pfad zur Energiewende (WBGU 2003) Kurzfristig: Energieeffizienz Mittelfristig: Begrenzter Einsatz fossiler Energiequellen (mit CO2 Sequestrierung) breites Spektrum regenerativer Energien Langfristig: Direkte Nutzung der Solarstrahlung 4

5 Solar energy is not there, but it s coming George W. Bush, Okt. 2005, nach Katrina: I had an interesting opportunity to go see some research and development being done on solar energy. I'm convinced, someday in the relative near future we'll be able to have units on our houses that will be able to power electronics within our houses, and hopefully, with excess energy, be able to feed them back in the system. That's possible. We're not there yet, but it's coming. 5

6 Flächenbedarf PV zur kompletten solaren Deckung Nordamerikas bzw. Westeuropas Quelle: WBGU Flächenbedarf zur solaren Stromerzeugung von USA bzw. Westeuropa Westeuropäischer Strombedarf wird zu 2/3 aus Einstrahlungsverhältnissen wie Belgien gewonnen und zu 1/3 wie in der Sahara Erforderliche PV Nennleistung für 100 % Strombedarf BRD: 883,3 TWh / 800 h = 604 GW Flächenbedarf: 604 GW x 20 m 2 /kw = km 2 = (110 km) 2 = 3.4% der BRD Gesamtfläche Vergleichswerte: Verkehrsfläche 4.8 % Siedlungsfläche 7.8% 6 Zunahme der verbauten Fläche: 1 km 2 /d

7 Aufbau der Solarindustrie hat begonnen 7

8 Die PV Produktion wächst kontinuierlich: 30-40% /a Wachstum Konzentration auf J, D und China Source: EPIA 8

9 Preis-Erfahrungskurve der PV Module: Langzeittrend: -23 % pro Verdopplung der akk. MW 9

10 Lohnt sich die Subvention in die Photovoltaik? Additional Cost (Billion US$/Year) Additional Annual Cost for Photovoltaics Learning Investments 150 billion US$ Present value for the period of at 5% real discount rate: 330 billion US$ Year Source: Experience Curves for Energy Technology Policy 10

11 Einbindung der PV in lokales und regionales Energienetz Solartarthermie (Solare Fassaden) Photovoltaik Module Wärme-Speicher Steuerung / Regelung Wechselrichter Heizung / Kühlung (Wärmepumpe) Licht und Kraft Niederspannungsnetz Gasnetz 11

12 Regionale Mittelung der PV Leistung Quelle: WBGU 2003 Saisonale Mittelung mit Windenergie / KWK Anlagen 12

13 Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 13

14 PV Grundkonzepte Mono / Multikristallines Silizium + Glas/Keramik / Metall / Kunststoff Dünnschichttechnologie Tandems und Konzentratoren 14

15 Aktuelles PV Marktwachstum wird getragen durch kristallines Silizium Quelle: FhG-ISE 15

16 Die Wertschöpfungsstufen bei der Si Photovoltaik Analogien zur Elektronik, aber Reinstsilizum (Ein)-Kristallstab Verschaltung Verkapselung wesentlich höherer Durchsatz (t Si / d) weniger Prozessschritte höherer Materialkostenanteil längere Betriebsdauer Wafer Modul Solarzelle 16

17 Herstellungsprozesse für Si-Wafer Quelle: PV Crystallox 17

18 Aufbau und Funktionselemente der Solarzelle 1 n Emitter e - 4 p Basis E g 3 e - 2 p+ BSF 1. Absorption / Reflexion / Transmission 2. Generation Elektron- Lochpaar h + E f h + 3. Diffusion 4. Ladungstrennung 18

19 Zuviel oder zuwenig Photonenenergie? 19

20 Ideale und reale Energieausbeute einer Einfachsolarzelle [Eg: 1.1eV] W/m2/µm W/m2/µm AM 1600 AM 1.5g 1.5g [W/m2/µm] 1400 Ideale 1400 Ideale Energieausbeute einschließlich SR SR Verluste Verluste real real(sr (SR + Voc Voc Verluste) nm nm 20

21 Theoretische und praktisch erzielte Solarzellenwirkungsgrade Carnot Begrenzung (fokusierte Solarstrahlung, Multi- Tandemzelle) Nichtfokusierte Solarstrahlung (Multi-Tandemzelle) Einfachzelle (Nichtfokusierte Solarstrahlung) Theorie 95 % 66 % 31 % Praxis 40.7 %* < 30 % / < 25 % Labor / Fertigung <25 % / < 20 % Labor / Fertigung * Spectrolab 12/06 21

22 Reduktion optischer Verluste (1): Entspiegelung Nach SiN Antireflexbeschichtung Nach Sägeschadenätzung 22

23 Reduktion optischer Verluste (2): Oberflächentexturierung Reflection [%] untextured --- double layer ARC SiN ARC black silicon Wavelength [nm] Plasma Etched Black Silicon 23 KOH geätzte [100] Mono-Silizium

24 Standard Solarzellen-Prozess für kristallines Silizium Sägeschaden-Ätzung Phosphor-Diffusion Phosphorglas-Ätzung SiN - Beschichtung Kantenisolation I/U Test Saure Texturätzung POCl Diffusion Al-BSF Rückseite Laser-Kantentrennung Einsetzbar sowohl für Mono als auch Multi Si Wafer Siebdruck Vorderseite Siebdruck Rückseite Einbrennen 24

25 Neue produktive Diffusionstechnologien Mehrstockofen Durchlaufofen 25

26 Reduktion optischer Verluste (3): Vertikales Grid 26 Quelle: BP Solar

27 Reduktion optischer Verluste (4): Rückkontaktzelle Quelle: Sunpower 27

28 Zwischenbilanz Si-Photovoltaik Dominante Technologie (95%) Robuste, standardisierte Fertigungstechnologie Lange Lebensdauer praktisch demonstriert Kritische Masse an F&E, Anlagenbauern und Produzenten Materialintensiv 28

29 Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 29

30 Alternative PV Herstellkonzepte Silicon Circuit Cu, In, Se oder SiH 4 Ingot Encapsulation Verschaltete Zellenstruktur Wafer Solar cell Module Verkapselung Modul Si-Wafer Analogie: Diskrete Elektronik Dünnschicht-Analogie: Optik 30

31 Aufbau typischer Dünnschichtsolarzellen CIGS: Substrat-Konfiguration a-si: Superstrate-Configuration ZnO Glass CIGS Mo Glass 31

32 Kontrolle der Kristallinität von Si-Dünnschichten in der PECVD Beschichtung 32

33 Kritische Dünnschichttechnologien (1): PECVD Anleihen bei der FPD Industrie Quelle: Oerlikon 33

34 Kritische Dünnschichttechnologien (2): Sputtern Anleihen bei der Architekturglasindustrie Substratglasbeschichtung auf 3.20m Substratbreite Quelle: GL Coating 34

35 Integrierte Verschaltung in der Dünnschicht-PV CIS als Absorberschicht hier exemplarisch (alt. CdTe, a-si, Org. HL) Weissglas Kleber ZnO CIS Mo Floatglas 3/1000 mm - 35

36 Bänderschema einer CIS Solarzelle Φ[eV] p - CIGS:Na n - ZnO CdS /ZnS p - CIS:Na / n - ZnO n-cds/ (n-zns) p - CIS:Na D 1 E f A 2 A 1 Mo p - CIGS:Na 3.8 Molybdän Alkali Barriere 4.2 Float Glass 36

37 Neue Materialien verlangen neue Charakterisierungsverfahren für große Flächen position (cm) 30 x 30 cm 2 CIS Modul Lock-in Thermographie (Shunt Hunting) Photoluminesence lifetime (ns) on 60 x 90 cm 2 37

38 Die Rolle der Wirkungsgrades: Feste flächenbezogene Kosten erfordern hohe Wirkungsgrade 100 $/m 2 Installation $/Wp BOS 4 2 $/Wp Module Cost / W $/Wp 1 $/Wp 50 $/m2 (Module Package) 3 2 System Cost / W Module Efficiency C-Si CIS 38

39 Übersicht Wirkungsgrade: Vom Labor-Weltrekord zum Fertigungsdurchschnitt 25 Multi-Si Efficiency AM FhG-ISE NREL CIGS USSC Si Thin Film ASC UKN / BP / PW Sandia / HEM Pacific Showa Shell Kaneka (unstabilized) USSC Mittelwerte Fertigung Multi Si CIS Si TF Cell / Module Aperture Area [cm2] 39

40 Zwischenbilanz Dünnschicht-Photovoltaik Kostengünstige Fertigungsverfahren verfügbar Konkurrenzfähige Wirkungsgrade demonstriert Integrierte Verschaltung gute Vorraussetzung für lange Lebensdauer, im Klimatest und an frühen Prototypen bereits demonstriert F&E Infrastruktur verbesserungswürdig Bisherige Fertigungseinheiten zu klein 40

41 Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 41

42 Netzferne PV Anwendungen oft kostengünstigste Lösung (keine Subventionen) 42

43 PV Aufdachanlagen mit 1-5 kw Nennleistung 43

44 Ästhetische Aspekte bei der PV Gebäudeintegration Multikritallines Silizium Modul CIS-Dünnschichtmodul 44

45 Gebäudeintegration von Dünnschichtmodulen (1) CIGS Wales 85 kwp (Shell) CIGS Tübingen 13 kwp (Würth) 45

46 Gebäudeintegration von Dünnschichtmodulen (2) Dachintegration von a-si Panelen New York (RWE_Schott) 46

47 47

48 Multi-MW Grünflächenanlagen für Investmentfonds Pocking 10 MW Espenhain 5 MW 48 Höslwang 1.8 MW

49 Übersicht Kommerzielle Photovoltaik-Techologien: 1. Generation: kristallines Silizium 2. Generation: Dünnschichttechnologie Anwendungen 3. Generation und Ausblick: Tandemzellen und Konzentratoren 49

50 Signifikante Fortschritte bei Tandemzellen für Weltraum- und Konzentratoranwendungen Latest News: 40.7% mit Triple Junction (Spectrolab 12/06) 50

51 Aufbau einer Dreifach-Solarzelle MOCVD Epitaxie auf 4 Zoll Germaniumwafern Kommerzielle Fertigung für Weltraumanwendungen Erste Pilotprojekte für terrestrische Anwednungen Spektrale Energieausbeute einer Dreifachzelle Quelle: FhG-ISE 51

52 Vom Wafer zum Kraftwerk mit konzentrierenden Photovoltaik Systemen Quelle: FhG-ISE 52 In Pilotprojekten zu zeigen: Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit Wartungsaufwand

53 Weitere alternative Zellenkonzepte werden erforscht, entwickelt und erprobt Farbstoffsensibilisierte Zellen (Grätzelzellen) Organische Solarzellen Energiekonversion (Up & Down Conversion) 53

54 Zusammenfassung Umbau unserer Energieversorgung benötigt einen höheren Anteil regenerativer Energiequellen Photovoltaik könnte dafür mittelfristig einen wichtigen Beitrag liefern, Industrie befindet sich im Aufbau Kristallines Si ist dominante Basistechnologie mit allen technischen Voraussetzungen (Wirkungsgrad, Stabilität) Weitere Kostensenkungen erfordern zusätzliche Innovationen, z.b. Dünnschichttechnologie Konzentratorzellen 54

55 AVANCIS Dünnschichtfertigung in 2008 Torgau / Sachsen: 20 MW CIS Solarmodule einer neuen Generation Vor Ort Integration von Glasindustrie und Halbleiterindustrie 55